Wie bewerte ich Unregelmäßigkeiten nach der Echoamplitude?
Da sich die vielfältigen Reflexionsbedingungen, die an natürlichen Reflektoren in Werkstoffen vorhanden sind, mit Hilfe des Ultraschallsignals nie eindeutig interpretieren lassen, hat man zu einem Ersatz gegriffen, dem Ersatz- Reflektor. Mit ihm wird das Echo einer Unregelmäßigkeit unabhängig vom Prüfer auf eine eindeutige ( Ersatz-) Ursache zurückgeführt. Eine solche Ersatz- Ursache ist z. B. ein Kreisscheiben-Reflektor, der senkrecht auf der akustischen Achse des Schallbündels liegend, die gleiche Signalamplitude liefern würde, wie der ( unbekannte) natürliche Reflektor. Diese Zuordnung ist zulässig, solange es sich um natürliche Fehler handelt, deren Verhalten dem Verhalten von Kreisflächen ähnelt. Das ist bei allen Unregelmäßigkeiten der Fall, die „ kleine Reflektoren" darstellen. d. h. Reflektoren, die sich in keiner Richtung über die Schallbündelgrenzen hinaus ausdehnen. Ein kreisscheibenähnliches Verhalten ist auch noch bei ziemlich langgestreckten Fehlern vorhanden. Die Voraussetzung, dass die Unregelmäßigkeiten auf der Achse des Schallbündels liege, trifft bei der Handprüfung zu. Da wird der Prüfkopf so lange verschoben, bis die maximale Anzeige vom Reflektor erreicht ist. Dann liegt der Reflektor auf der akustischen Achse. Bei der automatischen Prüfung mit festen Prüfbahnen kommt jedoch ein Reflektor nur höchst zufällig auf die akustische Achse des Schallbündels. Hier darf man nicht einfach mit dem Kreisscheibenersatzreflektor (Ersatzreflektor-Größe = Durchmesser der Kreisscheibe) nach der Signalamplitude operieren (siehe Kap. 13). Das Modell des kreisförmigen Reflektors hat auch den Vorteil, daß
es sich leicht experimentell behandeln läßt und auch noch theoretische Lösungen zuläßt. Am einfachsten zu merken sind die Entfernungsgesetze im Fernfeld für Kreisscheiben-Reflektoren bei Einzelkopfbetrieb: Bei Vergrößerung des Abstandes zwischen Prüfkopf und Reflektor sinkt der Druck des ankommenden Schallimpulses proportional zum Abstand. Auch der vom Reflektor reflektierte Schallimpuls verliert bis zum Empfänger proportional zum Abstand z an Druck. Das Resultat ist eine quadratische Abhängigkeit der Echoamplitude vom Abstand z.
Da der Schalldruck des reflektierten Impulses von der Fläche des Reflektors abhängt, diese aber vom Quadrat des Durchmessers d, ist
die Echoamplitude im Fernfeld dem Quadrat des Durchmessers
proportional ( 37)
Beschrieben wird dieses allgemeingültige Verhalten zwischen Kreisschwingern (Wandlern) und Kreisreflektoren in Abhängigkeit von Abstand (A), Verstärkung (V) und Größe (G) im AVG-Diagramm
(Bild 40). Um Allgemeingültigkeit zu erreichen, ist die Reflektorgröße normiert zu ( 39)
(Reflektordurchmesser/Wandlerdurchmesser)
Der Abstand z als (40)
(Entfernung in Nahfeldlängen)
Um sich die Umrechnung von normierten in absolute Größen zu sparen, kann man für bestimmte Prüfköpfe und bestimmte Werkstoffe spezielle AVG-Diagramme zeichnen, wie z. B. in den Prüfkopfdatenblättern von Krautkrämer, (solche speziellen Diagramme gelten immer nur für einen Prüfkopf und einen Werkstoff). Sie stellen einen Auschnitt aus dem allgemeinen Diagramm dar (Bild 41). Noch einfacher ist diePrüfung mit einer AVG-Skala, bei der jede Schreibarbeit entfällt. Sie stellt wiederum einen kleinen Ausschnitt aus dem speziellen AVG-Diagramm
dar. Die Ersatzreflektorkurven sind dabei nicht im doppeltlogarithmischen Maßstab sondern im doppeltlinearen Maßstab aufgetragen
AVG-Diagramme lassen sich natürlich nicht nur für Kreisschwinger (kreisförmige Wandler) und Kreisreflektoren aufstellen. Sie sind
auch denkbar für rechteckige Formen, oder für Zylinder-Reflektoren. Auch sind AVG-Diagramme nicht auf Einzelkopfbetrieb beschränkt. Es gibt Diagramme für SE-Prüfköpfe (Bild 12) und für Tandem-Betrieb mit zwei Prüfköpfen ( Bild 36). Vor Benutzung eines AVG-Diagramms oder einer Skala müssen die effektiven Daten ( Ist- Daten) des Prüfkopfs genau bekannt sein: Durchmesser Di und Nahfeldlänge Ni
Ein Beispiel für den Gebrauch des
AVG-Diagramms ist in der folgenden Tabelle gegeben. Als Bezugsecho wird ein beliebiges Rückwandecho benutzt, das Man auf eine bestimmte Bezugshöhe der Leuchtschirmskala einstellt. Man normiert den Abstand zw der Wand zu Zw und findet den zugeordneten Punkt
auf der Rückwandechokurve (Bild 43). Die zum Einstellen des Rückwandechos erforderliche Verstärkung sei VW.
Vorraussetzung
Soll Ist
fs = 4 MHz fi = 3,90 MHz
cs = 5,920 km/s ci = 5,900km/s
Ds = 20 mm Di = 19,0 mm
Ns = D2 . f/4. c Ni = 61 mm
Messung
zW = 165 mm (Abstand der Rückwand)
Vw = 46 dB
zR = 49 mm (Abstand des Reflektors)
VR = 62 dB
Auswertung
zW = zW/Ni = 165/61 = 2,7
zR = zR/Ni = 49/61 = 0,8
VR - Vw = 62 dB - 46 dB = 16 dB
With ZR and VR - Vw ergibt sich nach Bild 43
G = 0,2
d = G Di = 0,2 * 19 mm = 3,8 mm (gesuchter Durchmesser des Reflektors)
Der Reflektor erscheint im Abstand zR, was normiert zu ZR wird. Zur Messung der Amplitudendifferenz zwischen Reflektorecho und Rückwandecho bringt man das Reflektorecho auf die gewählte Bezugshöhe. Die dazu erforderliche Verstärkung sei VR. Die Amplitude des Reflektorechos ist also um VR - VW kleiner als die Amplitude des Rückwandechos. Mit dem Reflektorabstand ZR und der Amplitudendifferenz ermittelt man die relative Ersatz-Reflektorgröße 0,2. Multipliziert mit dem effektiven Wandlerdurchmesser DJ ergibt sich der Durchmesser des gesuchten Reflektors zu 3,8 mm.
Die Normierung von Abständen und Ersatz-Reflektorgrößen entfällt natürlich bei speziellen AVGDiagrammen und bei Skalen. Wenn der Prüfkopf jedoch weit von seinen Solldaten abweicht, dürfen spezielle Diagramme und Skalen nicht mehr verwendet werden, während das allgemeine Diagramm immer mit den Istdaten verwendet werden kann.
Im vorliegenden Beispiel wurde davon ausgegangen, daß im Werkstück keine nennenswerte Schallschwächung vorliegt. Dies muß vor der Messung kontrolliert werden. Ist die Schallschwächung nicht zu vernachlässigen, sind folgende Korrekturen notwendig:
Schallschwächungskoeffizient β (dB/m) = VW ' - 2 β • zw VR' = VR - 2 β• ZR Mit diesen Größen Vw und VR ,wird verfahren wie mit VW und VR.
Moderne, digitale Ultraschallgeräte arbeiten mit speziellen AVG-Programmen zum Bewerten von Fehlerechos. Die notwendigen effektiven Prüfkopfdaten werden über das Bedienmenü eingegeben oder - bei Dialog-Prüfköpfen - sogar vom Prüfgerät selber automatisch eingelesen.
Die erforderlichen AVG-Kurven werden direkt auf dem digitalen Bildschirm abgebildet. Berechnungen werden im Prüfgerät durchgeführt,
das Ergebnis ebenfalls auf dem Bildschirm angezeigt.